振動式槽鋼止水在復雜環境逆作法頂管工作井及接收井施工中的應用

裴 茂 才， 李 強， 吳 耀 宗

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610037)

1 概 述

廣州市白云區鳳和村、橫瀝村、崗尾村供水管網工程涉及到白云區人和鎮3個城中村，行政村轄區面積約8.92 km2，建成區面積4.60 km2。轄區范圍內總人口數約為35 333人，房屋7 498棟。工程新建DN25～DN50供水管長約129.6 km，DN100～DN600供水管長約55.2 km。其中DN600供水管橫穿106國道，采用頂管法施工，頂管長度為113 m，包括1口Φ7 000 mm的工作井和1口Φ4 000 mm的接收井。施工區地表水及周邊河涌發育，地表水對工程建設具有一定影響。施工區內及周邊地下水分為第四系孔隙水和基巖裂隙水兩大類，地下水動態變化復雜。施工區地層巖性主要為第四系全新統人工填土層(Q4ml)、第四系全新統沖積層(Q4al)、第四系上更新統沖積層(Q3al)、第四系上更新統殘積層(Q3el)、石炭系泥質粉砂巖風化層(C)等，覆蓋層厚度為10～30 m，場地揭露人工填土層性質不均，強度較低，承載力較低，工程性質較差；場地揭露淤泥質土層呈流塑～軟塑狀，含水量高，孔隙比大。鑒于該段頂管工作井、接收井緊鄰106國道及花莞高速高架橋，其旁邊商鋪林立，城市地下綜合管線密集，施工難度極高，故選擇適用的施工方案非常重要。

2 施工方案比選

隨著城市建設的發展，市政主管網施工的問題日益突出，且因大多數市政主管網均布置在繁華城市中的交通要道下，施工現場周圍建筑物多、綜合管線復雜，無法進行大開挖沉井施工，從而使逆作法施工頂管工作井和接收井得到了廣泛應用。逆作法施工是一種新型工法，適用于地下管線較為復雜、無法進行大開挖沉井施工的地段。逆作法施工系在地下結構施工時不架設臨時支撐，而以結構本身既作為擋土墻，又作為支撐，從上而下依次開挖、構筑結構體的施工方法，其施工順序與順作法施工相反[1]。采用逆作法施工頂管工作井和接收井通常需要采取止水措施創造干地施工條件，比較常用的方法為深井管井點降水、高壓旋噴止水帷幕、拉森鋼板樁止水帷幕等施工降、止水技術。對幾種止水措施進行分析于后。

2.1 深井管井點降水施工技術

隨著我國科技水平的快速發展，深井管井點降水技術得到了更多的完善和拓展。但在深井管井點降水工程中還存在諸多弊端，例如，因深挖井點發生的一系列坑壁坍塌、坑底失穩、管涌、流砂等工程問題。在進行深井管井點降水施工過程中，由于深井土壤中的地下水位低于基坑周圍的地下水位，導致附近的地下水會向內滲透，致使四周基坑的穩定性大大減少[2]，對周圍地層的擾動大，會對周邊臨近建筑物、地上市政道路造成不均勻沉降的現象，進而影響到周圍建筑和道路交通安全。

2.2 高壓旋噴樁止水帷幕施工技術

該方法適用于在地下水量豐富, 降水周期長，土質為黏土、砂土、粉土等易于與水泥漿凝固的工程中應用。當遇到井位正處在魚塘旁時或井位正處于高壓線、燃氣管線、軍用光纜等無法遷改的復雜管線時，高壓旋噴止水不易成樁，且高壓旋噴樁在施工過程中遇到比較大的漂石等地質情況時會影響到止水帷幕的效果[3]。采用該技術施工時很容易將鉆桿打在綜合管線上而造成安全隱患進而遭受經濟損失。在施工過程中，往往為避讓綜合管線，高壓旋噴止水時無法形成閉合；同時，在不具備高壓旋噴樁施工空間或強流砂地層中高壓旋噴止水成樁效果較差等因素導致高壓旋噴止水無法施工或止水失敗。

2.3 拉森鋼板樁止水帷幕施工技術

適用于沒有綜合管線的施工場地。如有綜合管線，則需要將其改遷且改遷費用高、周期長、協調難度大。由于板樁墻的設計長度有時不是鋼板樁標準寬度的整數倍，或板樁墻的軸線較復雜，或鋼板樁打入時的傾斜且鎖口部位存在空隙，這些都會給板樁墻的最終封閉合攏帶來困難，往往需要采用異形板樁、軸線修整等方法予以解決。拉森鋼板樁施工在雜填土地段擠進過程中受石塊等側向擠壓作用力的大小不同容易發生偏斜，需要不斷采取有效措施進行糾正，在來回施打的過程中振動大、易造成周圍建筑物開裂；施工過程中，施工人員還需注意對地下水的控制，防止泥砂隨滲水排出而影響到工程質量，從而無法達到止水止砂的效果[4]。

鑒于該工程頂管段工作井、接收井處于上有高架橋、下有綜合管線、旁邊有繁華商鋪等復雜的施工環境，上述施工方法均不適用。后經研究決定：最終采用振動式槽鋼咬合止水技術進行施工。

3 振動式槽鋼咬合止水施工工藝原理

振動式槽鋼咬合止水逆作法頂管工作井及接收井施工是利用槽鋼正反咬合打入土層使其形成一個閉合的槽鋼板墻，通過增加地下水滲徑而達到止水效果、阻止地下水直接滲流至基坑工作面，為逆作法頂管工作井及接收井施工創造干地施工條件，從而確保順利封底。其施工原理在于振動沖擊植入槽鋼，正反咬合形成槽鋼板墻。

振動式槽鋼咬合止水逆作法頂管工作井及接收井具有的施工特征：將槽鋼端部切割成銳角成V型以方便咬合槽鋼的打入，打入的槽鋼用TSH5000型沖擊錘振動沖擊槽鋼，并對TSH5000型沖擊錘配套扁鑿進行加工將其改造成帶U型卡槽的端頭，以方便沖擊時有效受力于槽鋼。打入時采用一正一反相互咬合的方式，打入順序分為初打定位、復打閉合、終打成槽鋼板墻。初打打入的深度為0.5～1 m ，初打結束后復打入2～2.5 m處形成閉合后進行終打，終打應將槽鋼與最后一層鋼筋混凝土護壁重疊20 cm。重疊部分上口用稻草進行封閉，人工用鋼釬往護壁下方滲水口處塞稻草進行封堵，防止砂隨水外流，同時每隔2 m在重疊處開設泄水孔，必要時進行泄水減壓。在逆作井中心處設置臨時集水坑并進行抽水。槽鋼閉合成環后每次下挖的深度為0.5～1 m，綁扎鋼筋安裝模板后進行護壁澆筑直至最后一節護壁澆筑完成及逆作井法頂管工作井與接收井封底，從而為下一步作業人員下井作業創造安全的施工環境。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程

項管工作井、接收井位置選定后，逆作法頂管工作井及接收井工藝流程可參照圖1進行。施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程圖

4.2 操作要點

4.2.1 測量放樣及路面破除

(1)測量放樣。根據測量控制點的坐標和高程布置現場的測量控制點并設永久性測量控制樁進行測量放樣以確定施工井位置和井面高程并畫出標線，同時進行綜合管線的測量放樣并畫出標線，施工開挖時加以規避。

(2)路面的破除。路面采用液壓破碎錘破除，在距綜合管線較近時考慮采用人工電鎬破除。路面破除前，先用切割機進行路面切割。

4.2.2 水位線以上的土方開挖及護壁施工

(1)挖井芯土。

①路面破除完成后，即可進行土方開挖。由于逆作井的開挖比較深且土方量很大，施工開挖采用反鏟式挖掘機挖土，挖土時嚴禁超挖，開挖時的邊緣控制以距結構邊線50 cm為宜，剩余部分采用人工輔助修邊，自卸汽車裝運[5]。采用分節開挖方式，每節的挖土深度定為1 m；當遇到淤泥、地下水或流砂時，暫停開挖完成已成型段的護壁施工。

②采用挖掘機開挖土方時，必須先開挖基坑中心范圍，然后再對稱挖掘周邊泥土，最后采用人工進行護壁范圍的挖除及修整，人工下井開挖前應修筑安全可靠的爬梯。

③機械開挖土方前，應參照地質報告并制定好開挖方案，施工現場必須由專人負責觀察地質情況，當施工有帷幕樁時應觀察帷幕樁的穩定性、止水效果及護壁的變化以及地下水的滲漏情況，發現異常應立即組織疏散作業人員并及時分析問題、處理問題。

④當開挖深度超過4 m時，采用伸縮臂挖掘機取土，人工輔助修邊，其開挖過程基本與挖掘機的開挖方式相同。

(2)護壁鋼筋。土方開挖、人工修整完畢，立即進行護壁鋼筋的綁扎。采用預先下料、井下綁扎的施工方法，按設計方案中的配筋進行井壁豎向鋼筋的綁扎及搭接。綁扎時，先將豎向鋼筋打入土中，鋼筋間距按設計要求布置，然后綁扎上水平橫向鋼筋，將兩種鋼筋綁接牢固，最后將長度為1.4 m的長鋼筋打入井壁土中，間距為1 200 mm，雙排鋼筋，起到支撐護壁重量的作用，防止在開挖下一級護壁時上一級護壁下沉。鋼筋綁扎好并經監理工程師驗收合格后，方可進行下一道工序——支模。

(3)井壁模板的安裝。打入咬合槽鋼后的模板拼裝,井壁模板由鋼模拼裝而成，板間采用U形卡固定，沿模板底部打短鋼筋樁進行加固，拼裝時留一道接縫夾一根φ48 mm鋼管以便拆模；必要時采用φ60 mm鋼管對頂支撐進行加固。

4.2.3 地下水分界線以下打設咬合槽鋼

地下水位線以上土方開挖和護壁施工完成后立即打設咬合槽鋼，打入槽鋼時應搭設可移動支架平臺，以方便施工人員操作。

4.2.4 填塞稻草進行封閉

在槽鋼與最后一層鋼筋混凝土護壁重疊部分上口用稻草進行封閉，人工用鋼釬往護壁下方滲水口處填塞稻草進行封堵以防止砂隨水外流；同時，每隔2 m在重疊處開設泄水孔，泄水孔要求用土工布包裹，以防止流砂外流進入井內，適當泄水壓以緩解護壁水壓力。

4.2.5 地下水位線以下的土方開挖及護壁施工

在槽鋼閉合成環、達到止水止砂效果、能夠保證施工作業人員安全后，開始進行水位線以下的土方開挖及護壁施工，每次下挖深度為0.5～1 m，并在井中心處設置臨時集水坑進行抽排。開挖時，應先挖井中心部分，然后再對稱挖掘周邊泥土，最后由人工進行護壁范圍的挖除及修整，挖土方法同地下水位線以上的土方開挖，每挖完一節進行高程復測，挖完一節后立即實施綁扎鋼筋關模、進行護壁澆筑直至最后一節護壁澆筑完成并達到設計底標高。

4.2.6 封底

逆作法頂管工作井及接收井封底混凝土按設計厚度進行澆筑，混凝土強度等級為C30、P6。混凝土入倉采用溜槽方式，防止混凝土離析。混凝土澆筑應連續進行，不留任何施工冷縫。混凝土澆筑時采用插入式振搗器振搗密實，最后用刮尺修平，由人工壓抹表面。

4.3 主要設備

主要機具設備見表1。

表1 主要機具設備表

4.4 逆作法頂管工作井及接收井施工質量控制要點

(1) 逆作法頂管工作井及接收井土體應分節開挖，開挖一節，施工一節護壁，依此類推。逆作法施工過程中應加強監測，如發現旋噴樁外鼓等異常情況，應停止澆筑混凝土，盡快實施維護措施，防止土體坍塌而造成人員傷害；井體混凝土采用設計強度混凝土；第一次挖土可按設計圖尺寸下挖到一定深度后綁扎鋼筋、支模、澆筑混凝土，待混凝土強度大于80%設計強度后方可進行下一節的開挖。第二節及以后的向下挖土均只能先開挖一側，待該側混凝土強度達到80%設計強度后再開挖另一側土，循序漸進以防止井壁向下突然沉降[5]。

(2)槽鋼的質量標準需符合《熱軋槽鋼尺寸外形、重量及允許偏差》GB707-88相關標準及《熱軋型鋼》GB/T706-2008相關標準。

①彎曲度要求：槽鋼的每m彎曲度不大于3 mm，總彎曲度不大于總長度的0.3%。

②槽鋼不得有明顯扭轉。

③槽鋼的尺寸、截面面積、理論重量及截面特性參數均應符合《熱軋槽鋼尺寸、外形、重量及允許偏差》GB707-88相關標準。

(3)打入槽鋼的垂直度及其它要求。

①槽鋼打入垂直度的允許偏差不宜大于1.5%。槽鋼正反咬合應牢固，咬合部位不應存在間隙。

②槽鋼打設位置應在鋼筋混凝土護壁結構尺寸外5 cm處，不得侵占鋼筋混凝土護壁結構尺寸。

(4)集水坑要求。集水坑應設置在逆作井中心處，集水坑的深度應低于外側且不小于0.5 m。

(5)逆作法頂管工作井及接收井混凝土施工應符合以下規定：

①混凝土應嚴格執行配合比要求，試塊按規定進行養護并按期送試驗室檢驗；

②施工過程由主管施工員對主要軸線、位置、標高、尺寸等進行復核校對，經復核校對無誤后方可進行下一工序的施工；

③鋼筋必須嚴格按施工圖紙和相關規范抽料并進行復核，安裝時其保護層厚度必須符合設計要求，接頭位置以及同一截面的接頭數量應符合相關規范要求；

④逆作法頂管工作井及接收井的容許偏差：橫向和高程為±50 mm，垂直度為±20 mm；

⑤井壁混凝土澆筑時必須嚴格控制混凝土坍落度。

5 適用范圍

振動式槽鋼咬合止水法施工技術適用于各類大中型地下管道頂管工作井、接收井及提升泵站泵井逆作法的施工，所適用的地質情況通常包括細砂、粉砂、粉質黏土、亞砂及淤泥等軟弱土層，適用于開挖深度為5～10 m間的逆作法頂管工作井及接收井止水。用于臨近建筑物、老舊房屋周邊、旋噴樁止水施工空間不足(尤其對地下水位很高、地下水壓力變化較大的地層無法打設井點降水及振動鋼板樁止水)時更具優越性。當逆作法頂管工作井及接收井采用傳統的旋噴樁止水帷幕、水泥水玻璃雙液注漿止水效果不佳時，可以考慮采用振動式槽鋼咬合止水進行補救。

6 結 語

通過廣州市白云區鳳和村、橫瀝村、崗尾村供水管網工程穿106國道頂管段工作井、接收井采用振動式槽鋼咬合止水逆作法施工實例，證明振動式槽鋼咬合止水逆作法頂管工作井及接收井施工對道路、地下綜合管線、周邊環境影響小，避免了其對周圍地下水的污染和對周圍地層的擾動，土層損失小，不影響周圍建筑物安全，也避免了大面積拆遷工作，保證了周圍商業的正常營業，進而維護了生活秩序，施工噪音低、振動小，節能和環保效益顯著，社會效益非常高，其在類似工程中具有一定的推廣價值。